CN103007839B - 球型双向旋转全混流非均相反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体和液体共存且密度相仿、反应物为不互溶的液相反应过程的非均相反应体系，克服了现有搅拌装置中存在的传质、传热不均匀的问题。包括反应器、搅拌器、电机和控制器，搅拌器贯穿于反应器内，反应器呈球型，搅拌器与电机之间通过齿轮装置相连接，齿轮装置连接到反应器上，搅拌器的两端连通并固定有循环液进出装置，循环液进出装置通过循环泵、热储液槽和冷储液槽经阀门对应连通形成回路，热储液槽内设有与控制器连接的热储液槽电加热器和控温装置。搅拌器上设有旋转导电装置，旋转导电装置与测温点电连接。本发明的反应器内部传质效果良好，反应器采用双向旋转全混流使搅拌充分，保证了反应器内温度和浓度的均一性。

Description

球型双向旋转全混流非均相反应装置

技术领域

本发明涉及固体和液体共存且密度相仿、反应物为不互溶的液相反应过程的非均相反应体系，尤其涉及一种球型双向旋转全混流非均相反应装置。

背景技术

搅拌是化学反应中常用的增强传热和传质效果的手段，涉及搅拌的化学反应非常多，其反应器形式也各不相同，比如生物质制取燃料乙醇过程中的水解反应装置。

最早的生物质制取燃料乙醇的方法是：利用酸作为催化剂，将生物质中的半纤维素和纤维素水解为可发酵单糖，然后再利用酵母进行发酵制取乙醇。酸水解是一种反应快速、水解强度高的生物质处理方法，但是该方法的反应温度较高，所生成的单糖在高温的酸性环境中容易发生降解，造成糖损失。随着生物技术的不断进步，以及人们对环境保护和能源消耗方面的关注，酶水解生物质技术得到了快速的发展。

传质过程是酶水解反应过程中的核心步骤，如何提高传质效率是关乎酶水解率的重要因素。除了酶水解反应自身反应速率较慢以为，造成其水解效率低的主要原因反应过程中酶分子与纤维素接触不够充分。这主要是因为生物质颗粒的密度与酶溶液密度相仿，在反应过程中，部分生物质颗粒会漂浮在水溶液上方。另外，生物质颗粒在吸水后粘度增加，由于搅拌的原因很容易粘附于反应器及搅拌轴的上方，与反应介质隔离，造成生物质原料反应不完全。

发明内容

本发明针对固体和液体共存且密度相仿的多相反应过程、反应物为不互溶的液相反应过程的非均相反应体系，提出一种球型双向旋转全混流非均相反应装置，克服了现有搅拌装置中存在的传质、传热不均匀的问题。

为达到上述目的，本发明采取以下的技术方案：

球型双向旋转全混流非均相反应装置，包括反应器、搅拌器、电机和控制器，其中电机与控制器电连接，搅拌器贯穿于反应器内，在反应器上设有加出料口。反应器呈球型，搅拌器由连通的中空管组成与球型反应器相匹配的圆形状，搅拌器与电机之间通过齿轮装置相连接，齿轮装置连接到反应器上，反应器还设有测温点和保温层加热器。搅拌器的两端连通并固定有循环液进出装置，循环液进出装置通过循环泵、热储液槽和冷储液槽经阀门对应连通形成回路，热储液槽内设有与控制器连接的热储液槽电加热器和控温装置。搅拌器上设有旋转导电装置，旋转导电装置与测温点电连接，保温层加热器、热储液槽电加热器、旋转导电装置分别与控制器对应电连接。

上述加出料口是对反应装置进行反应前加料和反应后出料使用，其前端与反应器内连通，末端采用球阀进行密封，打开球阀进行加料和出料操作；反应器与搅拌器之间机械密封为动密封装置，可以满足在较高的温度下工作，并且动密封装置还具有结构简单，维护容易的特点；测温点可以设置在反应器内，也可以设置在保温层加热器上，保温层加热器中包含电加热装置和保温材料，在为反应器加热的同时可以有效地控制热损失，反应器内的测温点和保温层上的测温点均配备常规的热电偶，可以将温度信号转换为电信号传输至控制器；旋转导电装置由若干导电滑环组成，承载信号和电传输的功能，旋转导电装置作为控制器与反应器的中间信号传输装置，可以传输温度信号至控制器并从控制器返回用于控制热储液槽电加热器和保温层加热器进行加热的电信号；热储液槽电加热器实现对循环液的加热，通过循环泵、阀门调节循环液在循环体系中的流速，循环液作为导热液可为水、导热油等惰性液体，可以根据反应装置所进行反应的温度不同来更换导热液，与反应温度匹配的导热液在反应过程中流过搅拌器内，还可以起到对反应体系加热的作用。循环液进出装置包括中空腔，中空腔与搅拌器连通，中空腔的两端分别依次设有充满填料的填料仓、压套和法兰。

上述反应装置的工作原理如下：由控制器来设定热储液槽电加热器、保温层加热器的温度，对反应器进行预热以及对循环液进行加热，通过反应器的测温点反馈的温度信号经旋转导电装置传输到控制器并从控制器返回控制保温层加热器的电信号从而使保温层加热器通电对反应器加热，同时通过热储液槽内的控温装置反馈的温度信号传输到控制器从而控制热储液槽电加热器对循环液进行加热以达到适合反应的温度。控制器设有控温仪表，控温仪表均为程序升温，可以控制升温速率；控制器还设有温度补偿装置可以准确地测定反应器内各部位的温度，保证了反应器内温度的均一性；通过控温仪表和温度补偿装置分别与球型反应器上的测温点和保温层加热器以及热储液槽内的热储液槽电加热和控温装置相连接来组成完整的控温系统。由电机带动搅拌器和齿轮装置旋转，通过齿轮传动带动反应器旋转。控制器还设置有调节电机转速的变频器，通过变频器来调节搅拌器的转速，齿轮装置设置有通过调节齿轮变换的调节器，通过调节器来调节反应器的转向和转速，在变频器和调节器的作用下可以调节反应器与搅拌器之间的相对转向和转速，由此可以根据不同反应情况的要求对反应器和搅拌器的旋转情况进行调节，达到搅拌均匀的目的。

本发明相比现有的反应装置具有以下优点：

（1）结构简单易于操作，适合在大型商业化生产中应用；

（2）反应器加热方式独特，并且反应器与反应物料间具有良好的传热效果及温和的加热方式，可以避免局部过热造成生物分子失活；

（3）反应器内部传质效果良好，有效地提高了反应效率；

（4）反应器采用双向旋转全混流的形式，搅拌充分，反应器内没有死角，保证了反应器内温度和浓度的均一性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中循环液进出装置的结构示意图。

附图标记说明：1-加出料口；2-保温层测温点；3-反应器内测温点；4-保温层加热器；5-循环液进出装置；6-支架；7-旋转导电装置；8-动密封装置；9-保温层；10-压力表；11-齿轮装置；12-传动电机；13-控制器；14-热储液槽；15-循环泵；16-热储液槽电加热器；17-球体连接法兰；18-冷储液槽；19--热循环液阀门；20—冷循环液阀门；21-加热搅拌器；22-球型反应器；23-热循环液入口阀门；24-冷循环液入口阀门；25-中空腔；26--压套；27-填料仓；28-填料；29-法兰；30-管线；31-夹套加热器连线；32-循环液入孔；33-循环液出孔；34-热储液槽测温点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。

本发明中所涉及的球型双向旋转全混流非均相反应装置，不局限于单纯的生物质原料预处理/水解，对于其他反应体系中应用的形式类似的反应装置也属于本发明的范畴。

如图1所示，本发明包括球型反应器22、控制器13、循环液进出装置5、旋转导电装置7、热储液槽14、冷储液槽18、循环泵15、加热搅拌器21、齿轮装置11和传动电机12。球型反应器22由球体连接法兰17连接而成，球型反应器22设有加出料口1、压力表10、保温层9、反应器内测温点3和保温层测温点2，保温层9中上设有保温层加热器4。支架6用于支撑反应装置，加热搅拌器21贯穿于球型反应器22内，加热搅拌器21由连通的中空管组成与球型反应器22相匹配的圆形状，球型反应器22与加热搅拌器21之间设有动密封装置8，以保证相对旋转过程中没有反应物料泄露。加热搅拌器21与传动电机12之间通过齿轮装置11相连接，齿轮装置11连接到球型反应器22上。热储液槽14内设有与控制器13连接的热储液槽电加热器16和控温装置（即热储液槽测温点34），控制器13设有控温仪表和温度补偿装置，控温仪表和温度补偿装置分别与球型反应器22上的反应器内测温点3、保温层测温点2和保温层加热器4以及热储液槽14内的热储液槽电加热16和热储液槽测温点34相连接而组成完整的控温系统。循环液进出装置5连通并固定于加热搅拌器21的两端。保温层加热器4通过夹套加热器连线31与旋转导电装置7电连接，控制器13发出的电信号传输至夹套加热器连线31给保温层加热器4通电从而对球型反应器22进行加热。反应器内测温点3、保温层测温点2分别与旋转导电装置7电连接，传动电机12、保温层加热器4、热储液槽电加热器16、旋转导电装置7分别与控制器13对应电连接。

如图2所示，循环液进出装置5采用两端密封、中空腔25输液的结构，固定于反应装置上且不旋转，中部通过法兰连接形成中空腔25，中空腔25的两端分别依次设有充满填料28的填料仓27、压套26和法兰29。两端密封的部分通过法兰29连接，填料仓27中设有多种不同材质的动密封填料28，以保证该装置与加热搅拌器21之间的密封状态，中空腔25还设有接通循环液的管线30，中空腔25通过管线30与加热搅拌器21上的循环液入孔32和循环液出孔33对应连通，并且通过循环泵15、热循环液阀门19、冷循环液阀门20、热循环液入口阀门23、冷循环液入口阀门24分别与热储液槽14、冷储液槽18对应连通形成回路。

如图1所示，结合不同情况的水解反应应用于本发明，其操作过程如下：

一、以预处理后的生物质原料（蔗渣）进行酶水解反应为例，其操作过程如下：

（1）开启控制器13，设定保温层加热器4和热储液槽电加热器16的温度，对球型反应器22进行预热以及对循环液进行加热，通过反应器内测温点3和保温层测温点2反馈的温度信号经旋转导电装置7传输到控制器13并从控制器13返回控制保温层加热器4的电信号从而使保温层加热器4通电对球型反应器22加热，同时通过热储液槽测温点34反馈的温度信号传输到控制器13从而控制热储液槽电加热器16对循环液进行加热以达到适合反应的温度；

（2）待主体球型反应器22和循环液的温度到达设定温度后，打开加出料口1加入反应物料，加入完成后关闭加出料口1，关闭保温层加热器4；

（3）开启热循环液阀门19，关闭冷循环液阀门20开启循环泵15，由控制器13设定加热搅拌器21的转速以及由齿轮装置11设定齿轮变换参数；

（4）开启传动电机12，使反应装置进入工作状态；

（5）待球型反应器22内部温度到达反应所需温度后开始计时；

（6）到达反应时间后，关闭循环泵15；

（7）关闭热循环液阀门19，开启冷循环液阀门20，开启循环泵15，利用常温循环液对球型反应器22内部的物料进行冷却；

（8）待球型反应器22内的温度降到室温后，关闭传动电机12和循环泵15，使加出料口1向下，打开加出料口1进行出料操作；

（9）出料完成后，向球型反应器22内加入清水，关闭加出料口1，开启传动电机12对球型反应器22内部进行清洗；

（10）清洗一定时间后，关闭传动电机12，使加出料口1向下，打开加出料口1进行放液操作；

（11）重复步骤（9）和（10）三次，使球型反应器22内部清洁。

二、以固体酸催化剂催化生物质（蔗渣）水解反应为例，其操作过程如下：

（1）与第一种情况相同；

（2）待球型反应器22和循环液的温度到达设定温度后，打开加出料口1加入反应物料，加入完成后关闭加出料口1；

（3）-（5）与第一种情况相同；

（6）到达反应时间后，关闭保温层加热器4，关闭循环泵15；

（7）关闭热循环液阀门19，开启冷循环液阀门20，开启循环泵15，利用常温循环液对球型反应器22内部的物料进行冷却；

（8）待球型反应器22内的温度降到室温后，关闭传动电机12和循环泵15，使进加出料口1向下，打开加出料口1进行出料操作；

（9）出料完成后，向球型反应器22内加入清水，关闭加出料口1，开启传动电机12对球型反应器22内部进行清洗；

（10）清洗一定时间后，关闭传动电机12，使加出料口1向下，打开加出料口1进行放液操作；

（11）重复步骤（9）和（10）三次，使球型反应器22内部清洁。

三、以稀硫酸催化剂催化生物质（蔗渣）水解反应为例，其操作过程如下：

（1）与第一种情况相同；

（2）待球型反应器22和循环液的温度到达设定温度后，打开加出料口1加入反应物料，加入完成后关闭加出料口1；

（3）-（5）与第一种情况相同；

（6）到达反应时间后，关闭保温层加热器4，关闭循环泵15；

（7）关闭热循环液阀门19，开启冷循环液阀门20，开启循环泵15，利用常温循环液对球型反应器22内部的物料进行冷却；

（8）待球型反应器22内的温度降到室温后，关闭传动电机12和循环泵15，使进加出料口1向下，打开加出料口1进行出料操作；

（9）出料完成后，向球型反应器22内加入清水，关闭加出料口1，开启传动电机12对球型反应器22内部进行清洗；

（10）清洗一定时间后，关闭传动电机12，使加出料口1向下，打开加出料口1进行放液操作；

（11）重复步骤（9）和（10）三次，使球型反应器22内部清洁。

四、以高温液态水预处理生物质（蔗渣）反应为例，其操作过程如下：

（1）与第一种情况相同；

（2）待球型反应器22和循环液的温度到达设定温度后，打开加出料口1加入反应物料，加入完成后关闭加出料口1；

（3）-（5）与第一种情况相同；

（6）到达反应时间后，关闭保温层加热器4，关闭循环泵15；

（7）关闭热循环液阀门19，开启冷循环液阀门20，开启循环泵15，利用常温循环液对球型反应器22内部的物料进行冷却；

（8）待球型反应器22内的温度降到室温后，关闭传动电机12和循环泵15，使加出料口1向下，打开加出料口1进行出料操作；

（9）出料完成后，向球型反应器22内加入清水，关闭加出料口1，开启传动电机12对球型反应器22内部进行清洗；

（10）清洗一定时间后，关闭传动电机12，使加出料口1向下，打开加出料口1进行放液操作；

（11）重复步骤（9）和（10）三次，使球型反应器22内部清洁。

上述四种情况的最初始反应原料均为蔗渣，但不局限于蔗渣，可以是所有的能进行水解制取可发酵性糖的生物质原料，包括：玉米秸秆、甜高粱渣、木屑、稻草等木质纤维素类农林废弃物。上述四种情况下使用的循环液可以为水也可以为导热油，具体使用种类视反应温度而定。

显然，本发明的上述具体实施方式仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于本领域技术人员来说，在上述说明的基础上还可以容易地做出其它形式上的变化或者替代，而这些改变或者替代也将包含在本发明确定的保护范围之内。

Claims (4)

1.球型双向旋转全混流非均相反应装置，包括反应器、搅拌器、电机和控制器，其中电机与控制器电连接，搅拌器贯穿于反应器内，在反应器上设有加出料口，其特征是：所述反应器呈球型，搅拌器由连通的中空管组成与球型反应器相匹配的圆形状，搅拌器与电机之间通过齿轮装置相连接，齿轮装置连接到反应器上，反应器还设有测温点和保温层加热器；搅拌器的两端连通并固定有循环液进出装置，所述循环液进出装置包括中空腔，中空腔与搅拌器连通，中空腔的两端分别依次设有充满填料的填料仓、压套和法兰，循环液进出装置通过循环泵、热储液槽和冷储液槽经阀门对应连通形成回路，热储液槽内设有与控制器连接的热储液槽电加热器和控温装置；搅拌器上设有旋转导电装置，旋转导电装置与测温点电连接，保温层加热器、热储液槽电加热器、旋转导电装置分别与控制器对应电连接。

2.如权利要求1所述的球型双向旋转全混流非均相反应装置，其特征是：所述测温点分布于反应器内部和保温层加热器上。

3.如权利要求1所述的球型双向旋转全混流非均相反应装置，其特征是：所述控制器设有调节电机转速的变频器，齿轮装置设有调节齿轮变换的调节器。

4.如权利要求1所述的球型双向旋转全混流非均相反应装置，其特征是：所述控制器设有控温仪表和温度补偿装置，控温仪表和温度补偿装置分别与球型反应器上的测温点和保温层加热器以及热储液槽内的热储液槽电加热和控温装置相连接。